(57)【要約】【課題】  大気や純粋ガスに含まれる微量ガスの種類や量を手軽に分析することができる装置を提供すること。【解決手段】  本発明では、光源１０と分光分析手段２８，３０によって分析装置を構成する。本発明で用いる光源１０は、混合ガスが通過する貫通孔１４ａを有する管状電極１４と、その貫通孔１４ａに同軸に配置されたロッド状電極２２を有する。  混合ガスに含まれる微量ガスの種類が未知であり、その種類を分析する場合には、光源１０から得られた光２６の波長毎の強度を測定する回折格子２８及びＣＣＤ３０を利用する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合ガスに含まれる微量ガスの種類を定性分析する装置であり、
光源と分光分析手段を有し、
光源は、混合ガスが通過する貫通孔を有する管状電極と、その貫通孔に同軸に配置されたロッド状電極を有し、
分光分析手段は、光源で発生した光を分光し、各発光波長を検知するものであることを特徴とする分析装置。
【請求項２】
分光分析手段は、検知された発光波長毎の強度を測定することを特徴とする請求項１の分析装置。
【請求項３】
混合ガスに含まれる種類が既知の微量ガスの量を定量分析する装置であり、
光源と分光分析手段を有し、
光源は、混合ガスが通過する貫通孔を有する管状電極と、その貫通孔に同軸に配置されたロッド状電極を有し、
分光分析手段は、光源で発生した光を分光し、種類が既知の微量ガスの発光波長の強度を測定するものであることを特徴とする分析装置。
【請求項４】
前記管状電極の貫通孔の径と電極間に印加する電圧が、前記管状電極の貫通孔に存在する混合ガスが常圧以上で放電を持続するパラメータに設定されており、常圧以上の混合ガスが光源に送込まれることを特徴とする請求項１から３のいずれかの分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合ガスに含まれる微量ガスの種類や量を分析する装置に関する。例えば、大気に含まれる微量ガスの種類や量を分析する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、大気に含まれる微量ガスの種類や量を分析したいという要求が存在する。あるいは、工業的に利用される純粋ガス（窒素ガス、酸素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス等、様々な種類の純粋ガスが供給されている）に微量に含まれる不純物ガスの種類や量を分析したいという要求が存在する。
現状では、微量ガスの濃度を高めて原子吸光法等で分析する技術によっており、分析装置は大型であり、手軽に分析することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで本発明では、大気や純粋ガスに含まれる微量ガスの種類や量を手軽に分析することができる装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明では、光源と分光分析手段によって分析装置を構成する。本発明で用いる光源は、混合ガスが通過する貫通孔を有する管状電極と、その貫通孔に同軸に配置されたロッド状電極を有する。
混合ガスに含まれる微量ガスの種類が未知であり、その種類を分析する場合には、光源から得られた光を分光し、各発光波長を検知する分光分析手段を利用する。
この簡単な構成によって、混合ガスに含まれる微量ガスの種類を分析することが可能となる。
本発明者らの研究によって、貫通孔を有する管状電極と、その貫通孔に同軸に配置されたロッド状電極を有する光源を利用すると、励起されたガスが貫通孔に閉じ込められ、比較的に高いガス圧力と比較的に低い電圧で放電を持続することが見出された。
また、微量ガスを含む混合ガスを管状電極の貫通孔に通過させると、仮に同量の微量ガスのみを通過させれば放電しないような微量しかない場合であっても、放電が起こって微量ガスに由来する発光スペクトルが得られることを見出した。
本発明の分析装置は、それらの知見を組合せて実現されたものである。貫通孔を有する管状電極とその貫通孔に同軸に配置されたロッド状電極を有する光源を利用し、微量ガスを含む混合ガスを管状電極の貫通孔を通過させながら放電させることによって、微量ガスに由来する、通常では得られない発光スペクトルが得られる現象を活用する。
光源から得られた光をスペクトル分析すると、主ガス（混合ガスを構成する微量ガス以外のガスを主ガスという）に由来する発光波長と、微量ガスに由来する発光波長が観測される。主ガスに由来する発光波長は既知であることから、微量ガスに由来する発光波長を観測することができる。
微量ガスに由来する発光波長が判明すれば、その微量ガスの種類を特定することができる。本発明の分析装置は、光源と分光分析手段という簡単な構成で、微量ガスの定性分析を可能とする。
【０００５】
なお、上記の装置において、分光分析手段が検知された発光波長毎の強度を測定するようにすれば、微量ガスの種類を特定することができるだけでなく、その微量ガスの量を分析することもできる。
【０００６】
混合ガスに含まれる微量ガスの種類が既知であれば、種類が既知の微量ガスの発光スペクトル（波長）の強度を測定すればよい。この場合、他の発光波長の強度を測定する必要がない。例えば、微量ガスの発光波長が回折される角度に、発光強度を測定するセンサを設けておけばよい。特定波長の強度を測定する装置のことを分光分析手段ということができる。分光分析手段で測定される微量ガスの発光波長の強度から、微量ガスの量を定量分析することが可能となる。
【０００７】
管状電極の貫通孔の径と、管状電極とロッド状電極の間に印加する電圧は、管状電極の貫通孔に存在する混合ガスが放電を持続する圧力を変化させる。貫通孔の径が大きければ、貫通孔に存在する混合ガスの圧力が低くなければ放電を持続することができない。貫通孔の径を小さくすると、貫通孔に存在する混合ガスの圧力が高くなっても放電を持続することができる。
貫通孔の径と電極間に印加する電圧が、管状電極の貫通孔に存在する混合ガスが常圧以上で放電を持続するパラメータに設定されていれば、常圧以上の混合ガスを光源に送込むことができる。すなわち、分析したい混合ガスを減圧する必要がない。混合ガスをポンプ等を利用して光源に送込むことによって分析することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ここでは、下記の実施例に記載されている技術の主要な特徴をまとめておく。
（形態１）  光源の管状ハウジングは導電性であり、マイナス極に接続される。管状ハウジングに挿入されて管状ハウジングに接続されている管状電極はカソード電極となる。円柱状電極はプラス極に接続されて、アノード電極となる。円柱状電極は、絶縁チューブによって管状ハウジングから絶縁されている。
（形態２）密封板と管状ハウジングは気体が通過しないように密着している。密封板にはレンズが一体に成形されている。
（形態３）管状ハウジング内に常圧の混合ガスが導入される。この状態でガス放電させると、混合ガスに含まれる微量ガスの発光スペクトルを得ることができる。
（形態４）管状ハウジングの側面に、混合ガス供給孔と混合ガス排出孔が設けられる。混合ガス供給孔は、管状電極の前側ないし後側の一方に連通し、混合ガス排出孔は、管状電極の前側ないし後側の他方に連通している。
（形態５）混合ガス供給孔に、微量ガスを含む大気とヘリウムが供給される。
【実施例】
【０００９】
（第１実施例）  図面を参照して本発明の一実施例を説明する。図１に、本実施例に係る分析装置の光源１０の分解斜視図を示し、図２に中央断面図を示す。
光源１０は非常に小さく、小さく作るのに適した構造を備えている。光源１０は、密封板１２と、カソードチップ（管状電極）１４と、スペーサ部材１６と、管状ハウジング１８と、絶縁性チューブ２０と、円柱状電極（ロッド状電極）２２を備えている。
密封板１２は、光を透過できるものであり、円板形状を有しており、集光レンズが一体に形成されている。密封板１２の直径ｄ２は約０．６ｍｍである。
カソードチップ１４はリング形状を有している。中央を直線的に伸びる貫通孔１４ａが設けられている。カソードチップ１４の外径は、密封板１２の直径ｄ２と同じである。カソードチップ１４の内径ｄ３は、約０．１ｍｍである。カソードチップ１４の厚みｄ５は約１ｍｍである。本実施例のカソードチップ１４は銅である。
スペーサ部材１６は、絶縁物質で形成されているとともに、一部分１６ａが欠けているリング形状を有している。スペーサ部材１６の外径は、密封板１２の直径ｄ２と同じである（即ち、カソードチップ１４の外径と同じである）。スペーサ部材１６の内径は、カソードチップ１４の内径ｄ３よりも若干大きい。スペーサ部材１６の厚みｄ６は、０．２ｍｍである。
【００１０】
管状ハウジング１８は、導電性物質で形成されている。図２に示されるように、この管状ハウジング１８の内面に、密封板１２、カソードチップ１４、スペーサ部材１６、及び絶縁性チューブ２０が嵌合している。管状ハウジング１８の外径ｄ１は約１ｍｍである。管状ハウジング１８の側面には、混合ガス供給孔１８ａと混合ガス排出孔１８ｂが設けられている。
微小光源１０には、図示省略のポンプが設けられており、このポンプの作用によって、混合ガス供給孔１８ａから管状ハウジング１８の内部空間３０内に混合ガス（本実施例では空気）を送込むことができる。図２をみるとよくわかるように、混合ガス供給孔１８ａから送込まれた混合ガスは、スペーサ部材１６の欠けた部分１６ａを通過し、カソードチップ１４の貫通孔１４ａを通過し、混合ガス排出孔１８ｂから外部に排出される。
なお本実施例では、大気中に存在する空気を微小光源１０の内部空間３０にそのまま送込むように構成しており、内部空間３０内のガスを大気から遮断していない。微小光源１０の内部空間３０内に存在する空気は大気圧以上の圧力である。
【００１１】
絶縁性チューブ２０は、絶縁性物質で形成されているとともに、筒形状を有している。絶縁性チューブ２０の外径は、密封板１２の外径ｄ２と同じである。
円柱状電極２２は円柱形状を有している。円柱状電極２２は、図２によく示されるように、絶縁性チューブ２０の内面に嵌合している。本実施例の円柱状電極２２は銅である。本実施例では、円柱状電極２２の径ｄ４は、カソードチップ１４の貫通孔１４ａの径ｄ３とほぼ同じである。なお、絶縁性チューブ２０と円柱状電極２２が嵌合したものをロッド状電極ユニット２４と呼ぶことにする。
【００１２】
ここでは、微小光源１０の構造をもう少し詳しく説明しておく。
微小光源１０では、密封板１２とカソードチップ１４が距離を隔てて配置されている（図２参照）。
絶縁性チューブ２０の上面２０ａと円柱状電極２２の上面２２ａは平面研削されている。即ち、絶縁性チューブ２０の上面２０ａと円柱状電極２２の上面２２ａは同一面を構成する。絶縁性チューブ２０の上面２０ａと円柱状電極２２の上面２２ａとによってロッド状電極ユニット２４の前側の端面が形成され、それは円柱状電極２２の長さ方向に対して直交する面内に形成されている。
カソードチップ１４と絶縁性チューブ２０の間には、スペーサ部材１６が配置されている。スペーサ部材２２の厚みｄ６によって、カソードチップ１４と円柱状電極２２の間の距離が正確に調整されている。
【００１３】
図示省略しているが、管状ハウジング１８はアースと接続されている。これも図示省略しているが、円柱状電極２２の下端はプラス電源と接続されている。これにより、カソードチップ１４がカソードとなり、円柱状電極２２がアノードとなる。なお、本実施例では、電極間に印加される電圧が２００Ｖとなるように設定されている。
円柱状電極２２に電圧を供給すると、カソードチップ１４と円柱状電極２２の間でガス放電がおこる。密封板１２は集光レンズが一体化されているために、ガス放電によって発生した光は、密度の高い光線になる。図２には、微小光源１０から発光している光２６が図示されている。
【００１４】
本実施例に係る分析装置は、微小光源１０の内部空間３０内に空気を送込むことによって、その空気に含まれる微量の未知成分を定性分析するものである。分析装置は、定性分析をするために、回折格子２８とＣＣＤ３０（図２参照）を備えている。
回折格子２８は、微小光源１０で発生した光線２６を受光できる位置に配置されている。微小光源１０で発生した光線２６は、その発光波長毎に回折して分散光となる。
ＣＣＤ３０は、複数の小型の受光セルが一列に並んで構成されたものである。異なる位置に配置されている各受光セルは、それぞれに対応する波長の光を受光することになる。ＣＣＤ３０によって、微小光源１０で発生し得る全ての発光波長の光を受光することができるようになっている。ＣＣＤ３０は、受光した光を電気量に変換することによって、受光した光の強度Ｉを測定する。ＣＣＤ３０における受光セルの位置によって微小光源１０で発生した発光波長を特定することができ、その受光セルで測定された強度が当該発光波長の強度となる。従って、ＣＣＤ３０の各受光セルで強度を測定することにより、微小光源１０で発生した各発光波長とそれぞれの強度を求めることができる。
空気中に含まれる既知の成分（酸素、窒素等）の発光波長は既知である。従って、求められた各発光波長から既知成分の発光波長を除くことによって、微小光源１０に送込まれた空気に含まれる未知の成分の発光波長とその強度を得ることができる。ここで得られた波長で発光する物質を調べることによって、微小光源１０に送込まれた空気に含まれる未知成分を定性分析することができる。さらに、その未知成分が所定の濃度のときの発光強度Ｉ０と、得られた強度Ｉを比較することによって、その未知成分を定量分析することができる。
【００１５】
本実施例の分析装置は、非常に簡単な構成でありながら、空気中に含まれる未知成分の定性分析及び定量分析をすることができる。本分析装置は、光源１０が小型であるために装置全体として小型化することができる。持ち運びが容易にでき、非常に実用的である。
なお、本実施例のように、カソードチップ１４の貫通孔１４ａの径ｄ３を約０．１ｍｍに設定するとともに印加電圧を２００Ｖに設定すると、内部空間３０内に存在する大気圧以上の空気がガス放電し続けることが確認されている。なお、これらのパラメータは適宜変更することができる。本発明者らの実験によって、貫通孔１４ａの径ｄ３が０．３ｍｍ以下であれば２００Ｖの印加電圧でガス放電し続けることが確認されている。
【００１６】
（第２実施例）
一般的に、果物は微量のエチレンガスを発生している。特に、熟し始めると、より多くのエチレンガスを発生するようになる。本実施例では、果物から発生するエチレンガスを定量分析することによって果物の熟し具合を検知する装置について説明する。図３に、果物の熟し具合を検知する装置２００の構成を簡単に示している。
装置２００は、混合ガス生成部１２０と微小光源１０とモノクロメータ１３０と受光器１４０とコンピュータ１５０等を備えている。
混合ガス生成部１２０は、２つのガス吸込み経路１２２，１２４を有している。一方のガス吸込み経路１２２からは果物から発生するエチレンガスが吸込まれる（当然に空気も一緒に吸込まれる）。装置２００のユーザーは、ガス吸込み経路１２２の吸込み口を果物に近づけて用いる。以下では、ガス吸込み経路１２２のことをエチレンガス含有空気吸込み経路１２２と呼ぶことにする。他方のガス吸込み経路１２４は、ヘリウムガス収容器１６０と連通している。ガス吸込み経路１２４からは、ヘリウムガス収容器１６０に収容されているヘリウムガスが吸込まれる。以下では、ガス吸込み経路１２４のことをヘリウムガス吸込み経路１２４と呼ぶことにする。
混合ガス生成部１２０には、エチレンガス含有空気吸込み経路１２２からエチレンガスを吸込ませるためのポンプ１５２と、ヘリウムガス吸込み経路１２４からヘリウムガスを吸込ませるためのポンプ１５４が内蔵されている。混合ガス生成部１２０は、各経路１２２，１２４から吸込まれたエチレンガス（空気も含む）とヘリウムガスを混合して混合ガスを生成する。各ポンプ１５２，１５４の能力は、混合ガス中のエチレンガス含有空気の体積百分率が１０％になるように設定されている。即ち、ポンプ１５２による吸込み量をＶ１とし、ポンプ１５４による吸込み量をＶ２とした場合に、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）が０．１となるようにしている。
【００１７】
微小光源１０は、上記した第１実施例の微小光源と同じものである。
管状ハウジング１８（図１、図２参照）の混合ガス供給孔１８ａは、混合ガス供給経路１２６を介して混合ガス生成部１２０と連通している。この構成により、混合ガス生成部１２０で生成された混合ガスが、混合ガス供給経路１２６を介して微小光源１０の内部空間３０内に供給される。内部空間３０に供給された混合ガス３０は、ガス排出孔１８ｂ（図１、図２参照）から外部に排出される。本実施例でも、内部空間３０内における混合ガスは大気圧以上となる。微小光源１０に電圧をかけると、内部空間３０内に供給された混合ガスが発光する。図３では、微小光源１０から発する光を符号２６で示している。
【００１８】
モノクロメータ１３０は、微小光源１０から発光した光２６を分光し、エチレンガスに特有の波長λｅの光だけを通過させることを許容する。図３では、モノクロメータ１３０を通過した光を符号１３２で示している。
受光器１４０は、モノクロメータ１３０を通過した光１３２の強度を計測する。
コンピュータ１５０は、分析部１５２と表示部１５４を有している。分析部１５２には、受光器１４０で計測される強度と、混合ガス中のエチレンガスの濃度（即ち果物から発生したエチレンガス量）との関係が記述されたデータが記憶されている。これにより、分析部１５２は、受光器１４０で計測された強度からエチレンガスの濃度を計算することができる。また、分析部１５２には、エチレンガスの濃度と、果実（本実施例ではリンゴ）の熟し具合とを対応づけたデータを記憶している。例えば、エチレンガス濃度がＡ以上Ｂ以下あれば「熟していない」、エチレンガス濃度がＢ以上Ｃ以下であれば「食べごろ」、エチレンガス濃度がＣ以上であれば「熟し過ぎ（腐っている）」、といった内容を記憶している。これにより、分析部１５２は、計算されたエチレンガス濃度から果物の熟し具合を特定することができる。
表示部１５４は、分析部１５２で特定された「果物の熟し具合」を表示する。これにより、ユーザーは、果物の熟し具合を正確に知ることができる。
【００１９】
本実施例では、果物の付近に存在するガスをヘリウムガスと混合して微小光源１０に供給するようにしている。このようにヘリウムガスを含む混合ガスを微小光源１０に充填してガス放電させると、エチレンガスの強いスペクトル（本実施例では波長λｅのスペクトル）を得ることができ、エチレンガスの定量分析をより正確に行なうことができる。
なお、本実施例では、混合ガス中のエチレンガス含有空気の体積百分率が１０％になるように設定しているが、この数値は適宜変更することができる。エチレンガス含有空気の体積百分率は１０％以上１００％未満であることが好ましいが、１０％未満に設定することもできる。また、ヘリウムガスを混合しないで、エチレンガス含有空気吸込み経路１２２から吸込まれるエチレンガス（空気を含む）だけを微小光源１０に供給するようにしてもよい。
【００２０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００２１】
上記した第２実施例の変形例として以下の装置を実施することができる。即ち、ヒトの体臭の元となるガスを第２実施例と同様の方法で定量分析することによって、ヒトの体臭のレベルを検知する装置を実施することができる。この装置は、吸込み経路１２２（図３参照）の吸込み口をヒトに近づけて使用する。そして、モノクロメータ１３０では、ヒトの体臭の元となるガスに特有の波長の光のみを通過することを許容する。受光器１４０は、ヒトの体臭の元となるガスの発光強度を測定する。コンピュータ１５０は、ヒトの体臭の元となるガスの濃度を計算し、計算された濃度から体臭のレベルを特定し、特定された体臭のレベルを表示する。
【００２２】
上記した各実施例では、集光レンズが一体化された密封板１２（図１、図２参照）が用いられているが、そのかわりに次のような構成してもよい。光ファイバーの一端をカソードチップ１４の貫通孔１４ａの上端と接続する。そして、光ファイバーの他端を、回折格子２８（第１実施例の場合）又はモノクロメータ１３０（第２実施例の場合）と接続する。このようにしても、密度の高い光線を、回折格子２８（第１実施例の場合）やモノクロメータ１３０（第２実施例の場合）に送ることができる。
【００２３】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】微小光源の分解斜視図を示す。
【図２】微小光源の中央断面図を示す。
【図３】果物の熟し具合を検知する装置の概略図を示す。
【符号の説明】
【００２５】
１０・・微小光源
１２・・密封板
１４・・カソードチップ
１６・・スペーサ部材
１８・・管状ハウジング
２０・・絶縁性チューブ
２２・・円柱状電極
２４・・ロッド状電極ユニット
【図１】
2005147887.tif 000003
【図２】
2005147887.tif 000004
【図３】
2005147887.tif 000005